sistema autogenerado empleado en equipos cardiovasculares
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Facultad de Ingeniería
Carrera de Ingeniería Electrónica
Sistema autogenerado empleado en
equipos cardiovasculares de gimnasio
Autor: Diego Humberto Farías Bazán
Para optar el Título Profesional de
Ingeniero Electrónico
Asesor: Virgilio Augusto Espinoza del Pino
Lima, Junio 2019
PROGRAMA ESPECIAL DE TITULACIÓN
II
DEDICATORIA
Dedico este ISP a mi hija, a mi esposa, a mis padres
por ser mi motivo, apoyo y aliento en cada paso para
realizar y superar mis metas personales y
profesionales y a Dios, quienes me acompañan y
guían.
III
AGRADECIMIENTO
Agradezco a cada persona que
me acompañó y formó parte de
esta etapa, que me ha ayudado a
crecer, por sus enseñanzas, por
su paciencia y preocupación.
IV
RESUMEN
Debido a la crisis energética, que se percibe en gran parte por el aumento en el costo de
energía y el incremento en la demanda, existe la necesidad de disminuir la contaminación
ambiental y de crear nuevas ideas de energías alternativas sostenibles.
Es por ello, que este proyecto está inspirado para hacer más eficiente los equipos
cardiovasculares de gimnasio, esto conlleva al ahorro en consumo de energía, reducción de
fallas en los equipos, incrementar el tiempo de vida útil del equipo y reducir el impacto
ambiental. Para la realización del proyecto utilizaremos el método de investigación
tecnológica, que permite crear una nueva tecnología a partir de los conocimientos adquiridos
a través de la investigación y de la experiencia ganada en la ingeniería de estos equipos.
El sistema autogenerado para equipos cardiovasculares de gimnasio es un prototipo
mejorado con el cual se puede mejorar las necesidades energéticas de un gimnasio con solo
realizar ejercicio es decir aprovechando la energía cinética del usuario, contribuyendo de
V
esta manera al deporte como una mejora física y para el cuidado integral de la salud, lo cual
contribuiría a elevar la calidad de vida del usuario.
El proyecto consiste en el equipamiento de una equipo cardiovascular (bicicleta o elíptica) la
cual fue diseñada de tal manera que al momento de realizar el ejercicio pueda energizar el
sistema y a su vez cargar la batería para su posterior uso en ralentí ya que en ese momento
es cuando se utiliza la energía de la batería al aumentar las RPM el alternador es el
encargado de suministrar la energía requerida para todo el sistema de carga. El sistema
funciona a partir de 50 RPM siendo un equivalente a 1.6 Km/h.
Teniendo en cuenta los reportes de fallas de los clientes corporativos, con el sistema
autogenerado en funcionamiento, se reflejó en los resultados que se logra mitigar gran
cantidad de problemas en los equipos, obtener ahorro energético y en la facturación;
logrando un interés por el nuevo sistema con grandes beneficios y sobre todo cuidando la
inversión realizada ya que tienen una cantidad considerable de equipos de gimnasio.
VI
INDICE
DEDICATORIA………………………………………………………………………….
AGRADECIMIENTO…………………………………………………………………….
RESUMEN…………………………………………………………………………….....
INDICE……………………………………………………………………………………
INDICE DE TABLAS…………………………………………………………………….
INDICE DE FIGURAS…………………………………………………………………..
ÍNDICE DE ANEXOS……………………………………………………………………
INTRODUCCION………………………………………………………………………..
CAPITULO 1
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA…………………………………………….
1.1. Definición de objetivos………………………………………………………...
1.1.1. Objetivo Principal……………………………………………………….
1.1.2. Objetivo Específico………………………………………………….....
1.2. Alcance………………………………………………………………………….
1.3. Limitaciones…………………………………………………………………….
1.4. Justificación del estudio……………………………………………………….
1.5. Estado del arte…………………………………………………………………
CAPITULO 2
2. MARCO TEORICO………………………………………………………………….
2.1. Diagrama de bloques………………………………………………………….
2.2. Definición de sistema de carga……………………………………………….
2.2.1. La batería………………………………………………………………..
2.2.2. Alternador……………………………………………………………….
PAG
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VII
2.2.3. Regulador de voltaje……………………………………………………
2.2.4. Resistencia Limitadora…………………………………………………
2.3. Reed Switch…………………………………………………………………….
2.4. Tarjeta controladora……………………………………………………………
CAPTULO 3
3. DESARROLLO DE LA SOLUCION……………………………………………….
3.1. Determinación de población y muestra………………………………………
3.2. Aspectos principales…………………………………………………………..
3.3. Elección del alternador………………………………………………………...
3.4. Verificación del alternador…………………………………………………….
3.4.1. Prueba del rotor…………………………………………………………
3.4.2. Prueba del estator………………………………………………………
3.4.3. Prueba del puente rectificador………………………………………..
3.4.4. Prueba de resistencia de alternador………………………………….
3.5. Cálculo del torque y velocidad………………………………………………..
3.5.1. Para velocidad mínima…………………………………………………
3.5.2. Para velocidad baja…………………………………………………….
3.5.3. Para velocidad media…………………………………………………..
3.5.4. Para velocidad máxima………………………………………………...
3.6. Desarrollo tarjeta de control…………………………………………………..
3.6.1. Detección de movimiento………………………………………………
3.6.2. Excitación de campo……………………………………………………
3.6.3. Carga de batería……………………………………………………….
CAPITULO 4
4. RESULTADOS………………………………………………………………………
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VIII
4.1. Presupuesto…………………………………………………………………….
4.2. Valor real de fallas y consumo de energía…………………………………..
CONCLUSION……………………………………………………………………………
GLOSARIO……………………………………………………………………………….
BIBLIOGRAFIA…………………………………………………………………………..
ANEXOS………………………………………………………………………………….
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IX
INDICE DE TABLAS
PAG
Tabla 1. Asistencia a gimnasios…………………………………………………………. 38
Tabla 2. Comparación de marcas del Alternador……………………………………… 40
Tabla 3. Presupuesto de materiales utilizados………………………………………… 59
Tabla 4. Clientes y cantidad de equipos……………………………………………….. 60
Tabla 5. Reporte de visitas por cambio de repuestos 2012-2015……………………… 61
Tabla 6. Reporte de visitas por cambio de repuestos 2016-2019……………………… 62
Tabla 7. Consumo de energía por mes…………………………………………………… 63
Tabla 8. Consumo anual……………………………………………………………………. 64
X
INDICE DE FIGURAS
PAG
Figura 1. Diagrama de bloques ………………………………………………………. 28
Figura 2. Batería Cyclon 6v 2.5Ah………………………………………………….. 30
Figura 3. Partes de un Alternador…………………………………………………… 32
Figura 4. Inductor e Inducido………………………………………………………… 33
Figura 5. Regulador de voltaje ………………………………………………………. 34
Figura 6. Resistencia limitadora…………………………………………………….. 35
Figura 7. Reed Switch………………………………………………………………… 36
Figura 8. Tarjeta controladora……………………………………………………….. 37
Figura 9. Terminales del alternador…………………………………………………. 41
Figura 10. Prueba del rotor…………………………………………………………….. 42
Figura 11. Prueba del estator………………………………………………………….. 43
Figura 12. Prueba del puente rectificador……………………………………………. 44
Figura 13. Conexión entre Alternador y Tarjeta de control………………………… 45
Figura 14. Conexión entre Tarjeta de control y consola…………………………… 49
Figura 15. Conexión de Alternador……………………………………………………. 50
Figura 16. Disposición interna transistores 2N3904 y ZVNL110A………………. 51
Figura 17. Circuito detección de RPM……………………………………………….. 52
Figura 18. Esquemático transistor TIP105………………………………………….. 53
Figura 19. Circuito de excitación de campo………………………………………… 54
Figura 20. Circuito regulador de nivel………………………………………………… 55
Figura 21. Diagrama interno de regulador LM1086………………………………… 56
Figura 22. Circuito de aplicación LM1086…………………………………………… 57
XI
INDICE DE ANEXOS
A. Anexo 1 - Batería Cyclon 6v
B. Anexo 2 - Datasheet TIP105
C. Anexo 3 - Datasheet 2N3904
D. Anexo 4 - Datasheet 2N3906
E. Anexo 5 - Datasheet 2N4401
F. Anexo 6 - Datasheet 2N4403
G. Anexo 7 - Datasheet BS250
H. Anexo 8 - Datasheet LM393P
I. Anexo 9 - Datasheet LM1086
J. Anexo 10 - Datasheet MBR1635
K. Anexo 11 - Datasheet ZVNL110A
L. Anexo 12 - Datasheet 2N03L05
12
INTRODUCCION
Antiguamente la producción de energía tenía la participación del carbón como fuente
primaria a la par se utilizó los recursos naturales como son el agua y el viento, luego llega la
importación del petróleo y consigo mejoras pero al poco tiempo se dio la construcción de
centrales térmicas y nucleares que a la larga generó un rechazo social fuerte tomando
mucho más fuerza el uso de recursos renovables por medio de parques eólicos y la
construcción de grandes centrales hidroeléctricas que permanecen hasta hoy. Ahora se
fabrican pequeños generadores de energía en lugares donde no se cuenta con red eléctrica.
Paralelamente en el rubro fitness, en los años 50´s se empezó a dar la fabricación de
equipos cardiovasculares de gimnasio utilizándose en pruebas de esfuerzo, estos equipos
eran mecánicos; por otro lado la evolución de los sistemas autogenerados se remontan a la
década de los 70´s con el reemplazo de los alternadores por los dinamos ya que estos son
13
menos eficientes y por costos de fabricación y desarrollo de los componentes electrónicos de
rectificación y regulación; a esto se suma el aumento en el desarrollo de tecnología a partir
de energías renovables con la finalidad de generar energía eléctrica pero estos no era
utilizado en el rubro fitness ya que utilizaban fuentes de alimentación que energizaba al
sistema electrónico.
En el Perú por el año 2000 se retomó el interés y la inversión en una producción de
electricidad diversificada que se deben a la energía renovable y la autogenerada gracias al
crecimiento económico y a la mejora en las condiciones de vida. Actualmente el 5% de la
energía eléctrica que se genera en todo el Perú viene de las energías renovables y
autogeneradas. Con esto se comenzó a realizar estudios de viabilidad para el uso de
autogeneración en los equipos de gimnasio.
El sistema autogenerado para equipos cardiovasculares de gimnasio, es un sistema para
proveer energía por medio del movimiento del usuario, reduce el consumo de energía hace
más eficiente al equipo y facilita el mantenimiento de los mismos.
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CAPÍTULO 1
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Se sabe que actualmente hay un consumo energético importante en todo el mundo, siendo
este uno de los más grandes problemas ya que se genera muchos inconveniente debido al
excesivo consumo de energía ya sea por la emisiones de CO2, consumo de fusibles fósiles o
el poco uso en tecnología de energías renovables; es importante anotar que dentro de las
energías renovables están las convencionales y las no convencionales si bien es cierto que
las convencionales solucionan el problema pero ocasionan contaminación y contribuye al
calentamiento global es decir impiden el desarrollo sostenible.
Sin duda, es una problemática que no podemos ignorar, en algún momento estas fuentes de
energía no renovables se terminarán y con ello llegará el deterioro del medio ambiente, por
tal motivo el aprovechamiento de las energías renovables se está fortaleciendo y avanzando
con pasos significativos, por esto creemos que es necesario buscar opciones para la
generación de energía eléctrica amigables.
15
En estos tiempos en el Perú existen dos situaciones en el abastecimiento de energía
eléctrica, uno es la alta y creciente demanda de energía y el aumento de la tarifa eléctrica;
principalmente consumida por el sector industrial y siendo estos la gran parte de la
contaminación que se genera. Por otro lado estos han determinado que tienen
responsabilidad con la sociedad ya sea en temas del medio ambiente como en la eficiencia
energética. Es por esto que ahora se está optando por energía autogenerada es decir
generada por el usuario final muchas veces tomada del medio ambiente o no contaminante.
En el rubro fitness por la creciente demanda de los últimos años, se incrementó el consumo
de energía en los gimnasios y con esto también fallas en el sistema por lo que se comenzó a
buscar mejores alternativas para generar ahorro de energía, tener un equipo más eficiente y
facilitar el mantenimiento preventivo y correctivo; es así como nace la idea de aprovechar el
movimiento del usuario para ser transformado en energía eléctrica y energizar los equipos
cardiovasculares de gimnasio siendo equipos totalmente autónomos.
1.1 Definición de objetivos:
1.1.1 Objetivo Principal:
Implementar un sistema autogenerado empleado en equipos cardiovasculares de gimnasio a
partir del movimiento creado por los usuarios.
1.1.2 Objetivos específicos:
Determinar las características de generación de energía.
Realizar pruebas del alternador en el sistema.
Evaluar el sistema en función de la tensión, corriente, potencia, torque y velocidad.
Desarrollar control del sistema autogenerado.
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Analizar y comparar datos obtenidos para tener referencia de los beneficios ganados
con el sistema autogenerado.
1.2 Alcance:
Se desarrollará un sistema capaz de generar su propia energía utilizando un alternador a
partir del movimiento realizado por el usuario. Dicho sistema será más eficiente para
alcanzar la alimentación de la visualización, control y carga de batería; así como la reducción
en consumo de energía y en fallas generadas en fuentes de alimentación.
El sistema podrá ser implementado en máquinas elípticas y en bicicletas estacionarias ya
que ambas utilizan transmisión mecánica por banda. La muestra para comparar los
resultados son clientes de la empresa en la cual laboro y que en su mayoría están ubicados
en distritos de Miraflores, San Isidro y Surco.
1.3 Limitaciones:
El proyecto se enfocará en la generación de energía, detección de RPM, control de sistema
y carga de batería. La información de fallas suscitadas es proporcionada por la empresa con
relación a la base de datos de visitas técnicas realizadas a los gimnasios que se toman como
muestra, mas no se realizó ningún tipo de encuestas por lo que se tomó las visitas como
parte referencial y el comentario de los usuarios al momento de registrar las visitas.
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1.4 Justificación del estudio:
Debido a la gran demanda que existe por el consumo de energía y por la poca creación de
métodos de autogeneración nos ha llevado a ser dependientes de las empresas productoras
de energía, las cuales la comercializan a costos cada vez más elevados; la creación de este
sistema genera una disminución considerable en el costo del recibo ya que genera su propia
energía.
El diseño de este sistema permite mitigar fallas en los equipos de gimnasio las cuales eran
recurrentes debido al deterioro de conectores y daños en las fuentes de alimentación
muchas veces ocasionadas por el óxido debido al sudor de los usuarios.
Otro factor que influye en este proyecto para su realización es la de concientizar a los
usuarios en la generación de energía limpia contribuyendo con el medio ambiente.
Estos factores expuestos favorecen directamente a los gimnasios, los cuales con el ahorro
en consumo y sin los gastos por fallas pueden incrementar el número de equipos y con esto
también incrementar en usuarios.
1.5 Estado del arte:
El análisis del estado del arte que se realiza es sobre investigaciones que se han realizado
con sistemas similares al propuesto en este informe y que tienen como tema principal la
generación de energía por medio de la autogeneración y uso de energías renovables. Entre
los documentos encontrados tenemos:
18
Memoria: Estudio de la viabilidad del uso de un motor generador en el desarrollo de
bicicletas estáticas. Garcia, Carlos- Mariano, Ruben- Gil, Javier -Vaquero, Miguel.
(2014). Cataluña, España.
Tiene como objetivo principal determinar la viabilidad de implementación de un nuevo
sistema de freno eléctrico, este freno es un de alta precisión controlado eléctricamente por
medio del uso de un convertidor electromagnético para aportar mejoras a las bicicletas
estacionarias. Para esto se realizó un análisis de las bicicletas existentes, como mejorar las
sensaciones, usuarios existentes, el tipo de entrenamiento que realizan y las zonas de
trabajo. Luego se ha realizado un estudio de biomecánica para que pueda entender los
músculos.
Según el autor su aplicación requiere una mayor inversión en tecnología y sistemas más
completos para controlar los entrenamientos de manera más precisa; el frenado de estos
sistemas no es lineal con la cadencia por lo que las estimaciones de potencia son poco
reales por lo que ser minucioso aportaría precisión al sistema y muchas ventajas para
diferentes tipos de usuarios ya que se podría observar su evolución real.
Además, el desarrollo de nuevos motores adaptables a diferentes tipos de aplicaciones,
como son los motores híbridos de reluctancia autoconmutados, ha motivado el interés de
comprobar si es posible utilizar una configuración óptima, para ser usado como freno
eléctrico y así tener el control del par angular realizado por los usuarios, cuando entrenan,
materializando los deseos de muchos de estos, así como el de sus entrenadores en este
deporte.
Por otro lado el sistema final que se ha determinado, también consigue un control angular de
frenada, permitiendo hacer trabajar en mayor o menor medida, los diferentes músculos de la
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pierna. A la misma vez este control angular permite la posibilidad de entrenar en forma de
pedaleo redondo.
Con respecto a la zona de trabajo final que permite el freno, se observa que puede abarcar
una gran cantidad de segmentos como el ciclismo indoor o usos generales por los que se
utilizan las bicicletas estáticas, de este modo debería optimizarse el diseño del motor para
cada uno. Además las ventajas que se han determinado con este freno pueden beneficiarles,
como un mayor control en las clases de spinning o programas de entrenamientos
dependiendo de los objetivos que se marque cada uno. Todo ello proporcionara valor al
producto, sin embargo lo encarecerá teniendo en cuenta que se compone de una cantidad
de materiales mayor que los sistemas actuales.
Memoria: Estudio de viabilidad de un gimnasio sostenible. LORENZO, Georgina (2017),
Barcelona, España.
Este trabajo tiene como objetivo estudiar la viabilidad de implementar un nuevo sistema en
un gimnasio utilizando nuevas tecnologías que permitan generar energía limpia a partir del
movimiento que los usuarios crean. Con el uso de la energía cinética creado por el
movimiento de los usuarios es aún un poco utilizado, con la gran cantidad de personas que
concurren a los gimnasios, se nota el desperdicio de energía cinética que puede ser
aprovechado.
En este trabajo se presentan diversos sistemas capaces de aprovechar la energía cinética,
evaluando cual es el sistema conveniente para que sea implementado como gimnasio
sostenible por medio de una comparativa entre los sistemas descritos. Todos los sistemas
20
que se explicarán son capaces de transformar la energía mecánica en energía eléctrica
gracias al principio de inducción electromagnética. El movimiento rotativo que se crea
cuando el usuario pedalea se transmite a un alternador y esta produce electricidad mediante
inducción electromagnética.
De esta manera se conseguirá mejorar la eficiencia energética del local, reducir los gastos
en electricidad, beneficiar al medio ambiente, dar a conocer nuevos sistemas de generación
de electricidad.
Sistema de Microgeneración de Energía a través del Ejercicio Humano. (Agudelo Vélez,
F., & García Alegrías, A. F., 2016).
Este trabajo tiene como objetivo el generar energía eléctrica a partir del movimiento del
ejercicio humano.
En el contexto de los cambios en el comportamiento humano, propuestos por una mayor
conciencia ambiental, el aprovechamiento de la energía humana en máquinas de gimnasio
es de vital interés. Independientemente de la aplicación, la cantidad de energía obtenida del
cuerpo humano depende de los segmentos corporales que se utilizan, el estado físico y
mental del usuario y el diseño de la interfaz hombre-máquina.
A continuación se describen los diferentes sistemas de producción de energía eléctrica por
medio de la interacción humana haciendo énfasis en el sistema de generación de energía a
través de la bicicleta.
El desarrollo de recursos renovables como fuentes alternativas de energía ha sido promovido
por el creciente costo y riesgo ambiental de los combustibles fósiles. El éxito de las energías
renovables no sólo se basa en el mejoramiento y optimización constante de las tecnologías
para aprovecharlas, sino que también incluye un fuerte componente de transformación
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cultural frente al uso de la energía en sociedad. Sin embargo, existe una gran cantidad de
fuentes renovables que pretenden reutilizar la energía que normalmente se desperdicia.
Con este trabajo se pretende apoyar la revolución energética aportando un prototipo para la
obtención de energía eléctrica a partir del ejercicio realizado en las bicicletas (spinning),
haciendo énfasis en los sistemas eléctricos y electrónicos de las etapas de transformación y
almacenamiento de la energía además de las aplicaciones en iluminación y carga de
dispositivos electrónicos.
Diseño e instalación de sistema de generación eléctrica por movimiento circular
uniforme (Sánchez, J. M. M., LONDOÑO, J. C., MONSALVE, D. A. B., & MECATRÓNICA,
T. (2016)).
Para este proyecto se utiliza las energías renovables como parte de la solución a una
problemática ambiental que no se puede dejar de lado por el alto consumo de energía ya
que en algún momento las fuentes de energía no renovables se agotarán ocasionando un
problema en el medio ambiente es por esto que la utilización de energía renovables se está
fortaleciendo ya que es necesario buscar soluciones para la generación de energía eléctrica ;
es así que se busca implementar un sistema tecnológico que permitan aprovechar al máximo
la eficiencia de las tecnologías de generación eléctrica, para de esta manera aportar a la
gran demanda energética del mundo, al aplicar este sistema de generación eléctrica por
medio del movimiento mecánico (circular uniforme), se desea hacer uso de tecnologías
disponibles en la cotidianidad de nuestras vidas.
Para una mejor comprensión se desarrolló en 3 etapas; la primera es la determinación del
sistema mecánico, luego el diseño del sistema eléctrico y de control y por último la
construcción del sistema de generación; con esto se realizaron las pruebas del prototipo con
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lo que se espera de este sistema de generación eléctrica contribuya de manera notable en
los procesos que demanden el uso de electricidad.
Dentro de las conclusiones que se tienen con este sistema es que se necesita una corriente
de excitación para poder generar el campo magnético necesario para el alternador además
para que la energía producida pueda ser aprovechada se requiere superar las 700 RPM y
garantizar también la corriente generada por el alternador.
Sistema de Generación de Energía Eléctrica a Partir de Bicicletas Estáticas en un
Gimnasio y Viabilidad de Apoyo Fotovoltaico (Bravo Carrasco, Pablo – 2015)
La motivación principal de realizar este trabajo es por la escasez de energía presente a nivel
mundial destacando que el 80% de energía producida proviene de energía no renovable, el
16% proviene de energía renovable, el 10% de biomasa (calefacción) y el 3.4% de
hidroeléctricas pero las fuentes de energía renovables tiene sus limitaciones como son la
intensidad de energía solar, la cantidad de viento o la fuerza del oleaje; es por esto que se
buscan diferentes alternativas que sean eficientes, económicas y que sea fuente de energía
renovable.
El objetivo del proyecto es aprovechar la energía desperdiciada con elementos disponibles
actualmente como los alternadores, inversores y paneles fotovoltaicos; por el alto costo de
las baterías decidió no almacenar la energía sino utilizarla para calentar agua por medio de
paneles termosolares y así lograr ahorro en consumo de gas.
Para el desarrollo de este proyecto primeramente se desarrolló la generación eléctrica por
medio del pedaleo del usuario, luego las disposiciones mecánicas que la bicicleta debe tener
para el correcto funcionamiento; el voltaje generado ingresa a un inversor que convierte de
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14 vdc en 220vac para luego desarrollar la generación solar fotovoltaica como apoyo para
energizar la mayor cantidad de áreas del gimnasio.
Como conclusión final podemos decir que la inversión de generación de energía partir de
bicicletas de spinning es viable debido al bajo costo de los elementos necesarios para su
implantación y a que las bicicletas ya las tendría el propio centro y no sería necesario
comprarlas, solamente aplicarles las modificaciones. El costo de los paneles fotovoltaicos
son los más caros del sistema ya que se necesita un gran número de ellos. Pero debido a
que tiene un número mayor de horas de funcionamiento se amortizan en un periodo similar
al del sistema de generación basado en bicicletas de spinning. El mayor problemas que
podemos tener es lograr inyección 0 en la red pero hoy día no parece una cuestión muy
problemática puesto que existen aparatos que nos permiten solucionar este problema.
Bicicleta estática generadora de energía eléctrica como aprendizaje en el uso eficiente
de energía. Revista Tecnología y Productividad, Mantilla, C. E. V., Sánchez, N. J. R.,
Tarazona, O. A. T., & Guzmán, O. R. V. (2018). Colombia
La problemática detectada por el Centro Agroturístico del Socorro Santander en su Región
era el consumo inadecuado de energía no renovable que deterioraba los recursos naturales
debido al aumento de la contaminación del medio ambiente y afectando la salud de la
personas. Por otro lado el costo del suministro eléctrico obligaba al endeudamiento bancario
y a la destinación inadecuada de los recursos para el pago de la red eléctrica particular en
lugar de ser asignados a otros proyectos en favor de la comunidad ya que al ser zona rural
creaba una inestabilidad en la calidad de vida de los habitantes generando un estancamiento
económico. Es así como nace la idea de crear un sistema de generación por medio de una
bicicleta estática para poder utilizar la energía para la carga de componentes electrónicos,
siendo utilizados en el gimnasio del centro y con la posibilidad de ser instalados en áreas
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deportivas comunes en toda la región para así promover el consumo adecuado de energía
por medio de estos pequeños generadores especialmente en zonas no interconectas.
Este sistema se coloca un alternador en la volante de la bicicleta conectado a un inversor
que transforma la energía creada por el alternador a 120Vac y se tiene una batería que
almacena energía manteniendo un voltaje de 12 Vdc para la carga de la batería por medio
de un regulador con esto el sistema puede ser utilizado por los habitantes creando
conciencia sobre el ahorro en consumo de energía eléctrica.
La implementación del sistema de aprovechamiento de la propulsión humana mediante el
uso de una bicicleta estática y un alternador es una forma viable para autogenerar de
energía según las necesidades básicas para gimnasios o zonas que no están
interconectadas, siendo un medio alterno de generación de energía eléctrica para la
población del Centro Agroturístico y a su vez, es una propuesta para mejorar la calidad de
vida de las personas, infiriendo sobre su salud y como proyección de un ahorro económico
Innovación del diseño de una bicicleta estacionaria como tecnología apropiada para la
generación de energía alternativa. (TAPIA Becerra, J. C. (2018). Trujillo – Perú)
Este proyecto parte de una problemática que surge en la Institución educativa 80819 en el
Porvenir por el alto costo en consumo de energía limitando el corto presupuesto y por ser un
lugar de difícil acceso, es por esto que para generar un ahorro y a su vez contribuir en la
mejora del estado físico de los alumnos para así reducir el sedentarismo en los alumnos se
utilizó una bicicleta estacionaria.
Con este sistema favorece en el ahorro de energía, cubre las necesidades energéticas de la
institución y no genera contaminación.
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Primero se construye el sistema de transmisión de potencia calculando las RPM deseadas
para la producción de energía luego se almacena la energía generada en las baterías
estimulando a que las personas realicen el ejercicio.
Algo muy importante a tener en cuenta es que la bicicleta estacionaria generadora de
energía siempre debe tener instalada una batería o algún elemento que proporcione
corriente de excitación para su funcionamiento. Con este proyecto se intenta mejorar la
situación económica de la INSTITUCION EDUCATIVA 80819 FRANCISCO LIZARZABURU
DE EL PORVENIR y mejorar la calidad de vida de sus alumnos.
Gimnasio Ecológico “Ecogym”. (CASTRO Mejia, C. I., GUERRERO Neyra, N., ORE
Chávez, C. R., & ZELADA Portugal, D. V. (2018)). UPC Perú
En este proyecto está orientado al rubro fitness desde el punto de vista empresarial ya que
Ecogym es un modelo de gimnasio ecológico que tiene como meta concientizar y minimizar
el impacto ambiental transformando la energía generada por los usuarios.
Este gimnasio estaría ubicado en Lima y la idea nace por la necesidad de minimizar la
contaminación siendo Lima una de las ciudades más contaminadas de Latinoamérica,
sumado a esto hay una carencia de los ciudadanos por proteger el medio ambiente.
Al no tener gimnasios con esta idea de negocio ya que según las encuestas las personas
que llevan una vida saludable se ha incrementado y además se preocupan activamente de la
protección al medio ambiente. Los equipos cardiovasculares de gimnasio serian
autogenerados, se utilizará papel reciclado y se tendrá cuidado y reducción en el consumo
de agua en los servicios higiénicos, tendrá una piscina e instalaciones auto sostenibles.
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Según el estudio de mercado uno de los objetivos principales es captar el 10% del mercado,
el 81,9% de los encuestados contribuye activamente en el cuidado del medio ambiente y el
94.6% están interesados en integrarse a un gimnasio ecológico.
Los clientes potenciales en los que se enfocarán son de zonas de San Isidro, San Borja,
Surco, La molina y Miraflores entre las edades de 18 a 45 años siendo aproximadamente
una población de 290,114 personas.
La fecha de apertura de gimnasio está proyectada para este año y proyectan tener en el
2023 un posicionamiento del mercado en un 39%.
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CAPITULO 2
MARCO TEÓRICO
En este capítulo se define todos los conceptos que nos ayuda a comprender mejor el
desarrollo del proyecto y diseño del sistema propuesto.
Para este proyecto se define cada una de las partes que se utilizan en el sistema que son el
alternador, la batería y la tarjeta controladora siendo dos de estos, parte del sistema de
carga y que sirve como base de este proyecto.
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2.1 Diagrama bloques:
Figura 1: Diagrama de bloques
Fuente: Propia
En el diagrama de bloques se puede visualizar que el sistema tiene las siguientes etapas:
La etapa de generación de la electricidad que como su mismo nombre lo dice se encarga de
generar la energía para alimentar al sistema, esta etapa va de la mano con la etapa de
detección del movimiento del usuario; al detectar el movimiento y al ser las revoluciones
bajas el encendido se da mediante la batería, pero cuando el usuario sigue pedaleando el
alternador es el que entra a tallar para darle energía al sistema en caso contrario el usuario
deje de pedalear simplemente el sistema se apaga automáticamente. La etapa de control se
da por medio de la tarjeta de control, que es capaz de integrar las dos etapas antes descritas
y por la cual se realiza la variación del nivel de resistencia.
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2.2 Definición de sistema de carga:
Un sistema de carga se define como un sistema que genera la corriente eléctrica necesaria
para alimentar un circuito eléctrico o electrónico y recarga la batería del sistema. Este tipo de
sistema es bastante utilizado en los automóviles; la energía eléctrica se da de dos formas a
bajas revoluciones por minuto el encargado de dar energía es la batería, a revoluciones
altas, el sistema de carga es el que se encarga de cumplir todos los requerimientos
eléctricos que se necesita. En el momento de carga se da la particularidad de que la salida
del alternador es mayor que el voltaje de la batería por lo cual permite recargarla.
(Navarrete, 2015).
Los componentes que forman parte del sistema de carga son los siguientes:
Batería
Alternador
Regulador
A continuación se define detalladamente cada uno de los componentes.
2.2.1 La batería:
Elemento del sistema que se recarga por medio el alternador, pero aparte de que se recarga
provee de energía al regulador para que exista la excitación y se inicie el proceso de recarga
otra función que cumple es la de compensar la carga para así mantener un valor constante
en el sistema.
Para el proyecto se utiliza una batería de 6v 2.5Ah recargable hecha de placas de plomo
extremadamente delgadas por lo que ofrecen mayor área de superficie y da mucho más
poder que las baterías convencionales, lleva una placa de vidrio absorbido (AGM) que
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permite la absorción del ácido de alta pureza esto proporciona un funcionamiento a prueba
de fugas. Además tiene una placa de acero externa que ofrece protección contra impacto
extremo, vibración, temperatura e inflamabilidad.
Figura 2: Batería Cyclon 6v 2.5Ah
Fuente: Propia
2.2.2 Alternador
Es una máquina eléctrica encargada de transformar energía mecánica en energía eléctrica,
generando una corriente alterna mediante inducción electromagnética. Los alternadores
están diseñados mediante el principio de que en un conductor sometido a un campo
magnético variable, durante un determinado tiempo se va a inducir una tensión eléctrica o
fuerza electromotriz, cuya polaridad depende del sentido del campo y el valor del flujo que lo
atraviesa (ley de Faraday).
Un alternador de corriente alterna funciona cambiando constantemente la polaridad para que
haya movimiento y genere energía. Si el alternador, se utiliza para suministrar energía a la
31
red, su velocidad de rotación se mantiene constante y por lo tanto la frecuencia f de la red.
Su relación fundamental es:
𝑛 = 60𝑓
𝑝
Donde n representa la velocidad en R.P.M. y p el número de pares de polos.
Entre los diferentes tipos de generadores síncronos existen los de tipo trifásico, que son los
utilizados cuando se necesita proveer de energía eléctrica para uso domiciliario e industrial
(Wikipedia, 2019).
Por otro lado el alternador contiene los siguientes componentes principales:
Rotor (Inductor): Es la parte móvil y recibe la corriente desde un regulador, debido a
que está formado por un electroimán. La corriente la recibe mediante unos anillos
rozantes que están situados en el eje.
Polea: Recibe la energía mecánica mediante faja. Esta se une con el eje del
alternador (piñón) y mueve el rotor.
Regulador: Mantiene el voltaje máximo de salida del alternador (12 voltios), además
regula la corriente que necesita la batería.
Rectificador de diodos: El rectificador convierte la corriente de salida (corriente
alterna) en corriente continua.
Estator (inducido): Es la parte fija en el que se encuentra el bobinado de 3 fases.
Puede estar constituido en triángulo o en estrella.
(Caymans Seo, 2017)
32
Figura 3: Partes de un alternador
Fuente: (Caymans Seo, 2017)
La principal aplicación del alternador es la de generar energía eléctrica de corriente alterna
para entregar a la red eléctrica, aunque también, desde la invención de los rectificadores de
silicio, son la principal fuente de energía eléctrica en todo tipo de vehículos como
automóviles, aviones, barcos y trenes, reemplazando al dinamo por ser más eficiente y
económico.
El alternador genera electricidad mediante los siguientes pasos:
El giro del piñón transmite el movimiento al alternador mediante la faja.
El rotor dentro del alternador gira dentro del bobinado del estator.
El movimiento del rotor genera energía eléctrica en forma de corriente alterna.
Los diodos rectificadores convierten esta corriente alterna (AC) a corriente directa
(DC).
33
Inductor
El rotor en estas máquinas coincide con el inductor, es el elemento giratorio del alternador,
que recibe la fuerza mecánica de rotación.
Para tener una idea más completa de lo que son los inductores, diremos que básicamente
están formados por un metal ferromagnético sobre el que se dispone un bobinado,
generalmente de alambre de cobre esmaltado para producir un campo magnético, o un imán
fijo en los más elementales (Wikipedia, 2019).
Inducido
El inducido o estator es donde se encuentran los polos distribuidos de modo alterno,
formados por un bobinado en torno a un núcleo de material ferromagnético de característica
blanda, normalmente hierro dulce.
La rotación del inductor hace que su campo magnético, formado por imanes fijos, resulte
variable en el tiempo, y el paso de este campo variable por los polos del inducido genera en
él una corriente alterna que se recoge en los terminales de la máquina (Wikipedia, 2019).
Figura 4: Inductor e Inducido
Fuente: (https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Alternador&oldid =116631804, 2019).
34
2.2.3 Regulador de voltaje:
El regulador de voltaje controla la corriente de salida del alternador para así prevenir
sobrecargas y descargas de la batería; esto se da regulando el flujo de corriente desde la
batería hacia el bobinado del rotor.
También se encarga de regular la corriente que llega a los carbones que posteriormente
ingresará al rotor del alternador.
Actualmente los reguladores de voltaje son dispositivos totalmente electrónicos que utilizan
diodos y resistencias.
Figura 5: Regulador de voltaje
Fuente: (https://encendidoelectronico.com/sistemas-carga-alternadores/sistemas-de-carga-parte-1/, 2015)
35
2.2.4 Resistencia limitadora:
Esta resistencia se ubica a la salida del alternador y se conecta a la tarjeta, el fin de tener
una resistencia es para limitar la corriente de salida del alternador es por esto que se utilizan
dos resistencias en paralelo. Como la corriente que se obtiene del alternador es alta se
requiere resistencias de alto vatiaje; las resistencias que utilizamos son de 0.75 Ω / 240W.
Figura 6: Resistencia Limitadora
Fuente: Propia
36
A continuación describiremos la sección de detección del movimiento.
2.3 Reed Switch:
Para la detección de movimiento del usuario se utiliza un sensor magnético (Reed switch);
este sensor se activará al detectar el imán que se encuentra instalado en la polea de
transmisión de la máquina, al pedalear generará un cambio de resistencia en el switch que
será detectado por la tarjeta permitiendo el encendido del sistema por medio de la energía
de batería.
Esto nos permite darle funcionalidad al sistema ya que al permanecer en movimiento
automáticamente se generará el voltaje en el alternador encargándose de la alimentación
del sistema y desconectando la batería que se utilizó en el encendido inicial para luego
realizar la recarga de la misma.
Este reed switch tiene tres pines un pin común, uno normalmente cerrado y otro
normalmente abierto permitiendo que la tarjeta lo detecte rápidamente.
Figura 7: Reed Switch
Fuente: Propia
37
2.4 Tarjeta controladora:
Esta tarjeta en el sistema es el que se encarga de la detección de revoluciones para
encendido del sistema, tratamiento de voltaje y corriente del alternador, variación del nivel de
resistencia y envío de datos a consola para su visualización. El diseño de la tarjeta será
desarrollado en el siguiente capítulo para un mejor entendimiento de su funcionamiento.
Figura 8: Tarjeta controladora
Fuente: Propia
38
CAPITULO 3
DESARROLLO DE LA SOLUCIÓN
3.1 Determinación de población y muestra:
Haciendo la precisión que este tipo de máquinas en su mayoría se encuentran en gimnasios
en los distritos de Miraflores, San Isidro, Surco y La Molina; la población que generalmente
tiene la cultura fitness más desarrollada es la de nivel socioeconómico A y B como se
muestra en la siguiente tabla:
Tabla 1: Asistencia a gimnasios
Fuente: (Ipsos Perú, 2016)
39
Como se muestra en la tabla en Lima las personas entre 21 y 35 años son las que asisten
con mayor frecuencia al gimnasio en las personas mayores a 35 años la afluencia a
gimnasios disminuye hasta 5% esto debido a factores como falta de tiempo, salud o no
tienen costumbre de realizar ejercicio.
La muestra de clientes (gimnasios) que tomaremos en cuenta y que presentan estos equipos
cardiovasculares son en su mayoría de los distritos de Miraflores, San Isidro y Surco; es por
esto que las incidencias o fallas que se tenían en estos locales eran altas por la gran
afluencia de usuarios y la cantidad de máquinas que se energizaban con fuente de
alimentación externa. Posteriormente se mostrará detalladamente las incidencias por local
antes y después de la implementación del sistema autogenerado.
3.2 Aspectos principales:
Con la utilización de fuentes externas para la alimentación del sistema en las máquinas
cardiovasculares, generaban un consumo permanente repercutiendo directamente al costo
de energía; a su vez se ocasionaban frecuentemente fallas en la fuente de alimentación,
conectores y tarjeta controladora.
Las fuentes externas utilizadas en las máquinas entregaban un voltaje de 9 v y una corriente
de 4 A siendo estas fuentes las encargadas de energizar toda la máquina.
Por lo descrito en el capítulo anterior; el alternador es parte importante para la generación de
energía es por esto que para la elección del alternador se necesita tener las siguientes
características:
Voltaje necesario para energizar el equipo 12 v
Suministrar resistencia a la carga mientras proporciona energía eléctrica
Proporcionar la señal de rpm hacia la tarjeta controladora.
40
3.3 Elección del alternador:
Se propuso dos alternativas para la elección del alternador con características similares
mostradas en la siguiente tabla:
Marca MANDO LEECE NEVILLE
Voltaje 12 V 12 V
Amperaje 35 A 37 A
Salidas 6 pines 6 pines
Peso 9,06 lbrs 11, 05 lbrs
Tabla 2: Comparación de marcas de alternador
Fuente: Propia
Principalmente se tiene que presentan el mismo voltaje y la misma cantidad de salidas, el
amperaje en la marca MANDO es ligeramente menor que en el de LEECE. En el caso del
peso del alternador el MANDO es más ligero ya que pesa 4.11 Kg y el alternador LEECE
pesa 5.01 Kg hay una diferencia de 1 Kg aproximadamente.
Al realizar la comparación entre ambos alternadores en voltaje, amperaje y salidas son
similares; por el peso del alternador nos inclinamos por el alternador MANDO ya que por ser
de menor peso hace más ligero al equipo y por estructura también escogemos el alternador
MANDO ya que la polea se amolda mejor al sistema mecánico para hacer generar la
energía.
Por lo descrito líneas arriba el alternador seleccionado es el de la marca MANDO, además
que anteriormente ya se ha trabajado con esta marca proporcionando buenos resultados y
41
porque se acomoda perfectamente a lo que necesitamos. El alternador a usar es de 12 v y
35 A.
A continuación se definirá cada uno de los terminales que utilizaremos en el alternador que
nos permitirán explicar de mejor manera el funcionamiento del alternador y como se
encuentra conectado a la tarjeta controladora; los terminales son los siguientes:
P: Señal de RPM
B: Salida de voltaje
EXC: Excitación de campo
S: Retorno de campo
E: Tierra
Figura 9: Terminales del alternador
Fuente:(https://www.gympart.com/TSB/Partdocs/LCA10~Wiring%20Diagram%20for%20Mando%20Alternator.pdf, 2015)
42
3.4 Verificación del alternador:
Una vez obtenido el alternador se debe hacer una prueba del mismo para verificar el correcto
funcionamiento.
3.4.1 Para prueba del rotor:
Comprobar la resistencia de la bobina inductora medir con multímetro en los anillos
rozantes y tendrá que dar un valor de 4 a 5 Ω.
Se mide el aislamiento de la bobina inductora con respecto a masa es decir con
respecto al eje para ello se mide sobre uno de los anillos rozantes y el eje del rotor
nos tendrá que dar una medida de resistencia infinita.
Figura 10: Prueba rotor
Fuente: (https://www.aficionadosalamecanica.net/alternador-compr.htm, 2015)
43
3.4.2 Para prueba del estator:
Por medio del multímetro comprobar el aislamiento entre cada una de las fases
(bobinas) y masa (carcasa).
Medir la resistencia que hay entre cada una de las fases teniendo que dar una
medida de 0,2 a 0,35 Ω según el tipo de bobinado (estrella – triángulo). Las medidas
deben de ser iguales entre las fases.
Figura 11: Prueba estator
Fuente: (https://www.aficionadosalamecanica.net/alternador-compr.htm, 2015)
3.4.3 Prueba del puente rectificador:
El rectificador está formado por una placa soporte, en donde se encuentran
conectados seis o nueve diodos, unidos y formando un puente rectificador.
Para esto se usa un multímetro para comprobar los diodos, debiendo estar el puente
rectificador desconectado del estator.
44
Figura 12: Prueba del rectificador
Fuente: (https://www.aficionadosalamecanica.net/alternador-compr.htm, 2015)
3.4.4 Prueba de resistencia de alternador:
Para probar la resistencia en los alternadores Mando se realiza lo siguiente:
Realizar un puente entre el borne EXC. y el borne B + en el alternador.
Se debe pedalear la unidad durante aproximadamente un minuto para aumentar la
resistencia.
Si la unidad da resistencia alta, el alternador es bueno.
Si no hay resistencia, se podría tener cepillos defectuosos en el alternador o podría
necesitar reemplazar el alternador.
Una vez verificado el correcto funcionamiento del alternador pasaremos a revisar la salida de
voltaje del alternador.
45
En el terminal B+ sale el voltaje generado al momento de realizar el movimiento; el voltaje
que se genera es de 12 v AC este voltaje será rectificado internamente ya que este
alternador presenta un rectificador incorporado que transforma los 12v AC en 12 v DC; luego
de rectificar el voltaje pasará por el regulador de voltaje que permite mantener el voltaje
estable en un valor constante de 11 o 10 v.
A la salida de voltaje también va conectado las resistencias limitadoras de corriente que
permiten que un exceso de corriente no pueda dañar la tarjeta controladora.
Por medio de los terminales de campo que son el EXC y el S son los encargados de realizar
el cambio de resistencia esto es internamente realizado por el bobinado del estator del
alternador.
Figura 13: Conexión entre alternador y tarjeta de control
Fuente: Propia
46
3.5 Cálculo del torque y velocidad:
La potencia que se genera con el alternador está dada por el producto del voltaje y la
corriente, esto nos da una potencia de 420 w.
En tanto también debemos calcular el torque y la velocidad para las RPM mínimas y
máximas del alternador; están dados por las siguientes formulas
P = T x ω
Dónde:
Potencia (P) en W
Torque (T) en Nm
Velocidad angular (ω) en rad/s
ω = RPM x 2pi/ rev x 1 min/60seg
Para realizar el cálculo de velocidad en Km/h se necesita lo siguiente:
K = d x r x 0.001885
Dónde:
K = velocidad (Km/h)
d = diámetro de polea (cm)
r = revoluciones por minuto (RPM)
47
Para los cálculos debemos tener también el diámetro de la polea asociada al alternador en
el equipo cardiovascular. El diámetro de la polea es de 18cm.
3.5.1 Para velocidad mínima (50 RPM):
P = T x ω
420 w = T x (50 RPM x 2π/rev x 1min/60seg)
T = 80.3 Nm
K = d x r x 0.001885
K = 18 x 50 x 0.001885
K = 1.69 Km/h
3.5.2 Para velocidad baja (< 750 RPM):
P = T x ω
420 w = T x (750 RPM x 2π/rev x 1min/60seg)
T = 5.38 Nm
K = d x r x 0.001885
K = 18 x 750 x 0.001885
K = 25.4 Km/h
48
3.5.3 Para velocidad media (1500 RPM):
P = T x ω
420 w = T x (1500 RPM x 2π/rev x 1min/60seg)
T = 2.67 Nm
K = d x r x 0.001885
K = 18 x 1500 x 0.001885
K = 50.9 Km/h
3.5.4 Para velocidad máxima (3000 RPM):
P = T x ω
420 w = T x (3000 RPM x 2π/rev x 1min/60seg)
T = 1.33 Nm
K = d x r x 0.001885
K = 18 x 3000 x 0.001885
K = 101.8 Km/h
Con los cálculos realizados no se tendría problemas con el uso del equipo cardiovascular ya
que el alternador está capacitado para trabajar a bajas revoluciones permitiendo que
cualquier usuario trabaje sin problema y también es poco probable que los usuarios lleguen a
utilizar la maquina a una velocidad mayor a las 800 RPM y si en ese caso sucediera el
alternador diseñado para soportar mayores velocidades.
49
Antes de desglosar cada parte del sistema mostraremos un diagrama que nos hará
comprender mejor como está distribuido las entradas y salidas ya sea para el control del
alternador, detección de RPM y visualización en consola.
Figura 14: Conexión entre tarjeta de control y consola
Fuente: Propia
50
Figura 15: Conexión de alternador
Fuente: Propia
51
3.6 Desarrollo tarjeta de control:
3.6.1 Detección de movimiento:
La detección de movimiento se da gracias el sensor REED SWITCH que al pasar frente al
imán realiza el cambio de contacto; en el momento de la detección en la tarjeta controladora
se ingresa una etapa de amplificación de señal.
La amplificación se da por una conexión en cascada de dos transistores 2N3904 que son
dos transistores de propósito general NPN y un transistor FET de canal N de código
ZVNL110A.
Figura 16: Disposición interna transistores 2N3904 y ZVNL110A
Fuente: (www.alldatasheet.com/ON Semiconductor, 2019)
Esta señal de RPM del Reed Switch es comparada con la señal de RPM del alternador por
medio de un Comparador diferencial de código LM393P cuya señal de salida sirve para la
activación del relé.
52
En primera instancia al detectar el movimiento principalmente del RPM del REED Switch
siendo alimentado por la batería que luego de que la señal de RPM del alternador es
detectada comienza a generar el voltaje del alternador y desactivando automáticamente el
voltaje de la batería por ser de menor valor.
Figura 17: Circuito detección RPM
Fuente: Propia
53
3.6.2 Excitación de campo:
Al generarse el voltaje de alimentación directamente del alternador se debe mantener
excitado el estator del alternador; esta excitación se da con una corriente alta por lo que para
esto se utilizó dos transistores PNP Darlington TIP105; la corriente de colector oscilara entre
8 A y llegando hasta un pico máximo de 15 A.
Uno de los transistores es para la excitación del campo y el otro el para el retorno de la
corriente del alternador.
Figura 18: Esquemático transistor TIP105
Fuente: (www.alldatasheet.com/MOSPEC, 2019)
54
Figura 19: Circuito de excitación de campo
Fuente: Propia
55
El circuito anterior es el encargado de regular la excitación del campo para que por medio del
retorno y de la señal de VSYS enviada desde la consola al circuito que se visualizará, a
continuación se muestra el circuito del cambio de resistencia en el alternador controlando la
corriente que se genera en el alternador por el movimiento del usuario.
Figura 20: Circuito regulador de nivel
Fuente: Propia
56
3.6.3 Carga de batería:
Al momento que se deja de utilizar la batería se tiene en la tarjeta controladora un circuito
exclusivo para realizar la carga de la misma por medio de un Regulador ajustable LM1086
que ajusta la tensión de salida con dos resistencias externas.
Incluye también un intervalo de banda recortada por un diodo zener, además se puede
regular la limitación de corriente y apagado térmico.
Figura 21: Diagrama interno de regulador LM1086
Fuente: (www.alldatasheet.com/National Semiconductor Corporation, 2019)
El circuito que utilizaremos en la parte de carga de la batería se basa en el circuito de
aplicación del regulador LM1086 y siendo el valor de salida hacia la batería una combinación
de resistencias que harán calcular y obtener el valor deseado como se muestra en la
siguiente figura:
57
Figura 22: Circuito de aplicación LM1086
Fuente: (www.alldatasheet.com/National Semiconductor Corporation, 2019)
58
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
Para demostrar los resultados de los beneficios ganados con el sistema autogenerado se
toma los clientes corporativos con mayor cantidad de máquinas y los cuales renuevan
máquinas cada cierto tiempo; es por esto que los clientes seleccionados fueron los
siguientes:
Hotel Sheraton
Hotel Marriot
Casino Atlantic City
Gimnasio Gold Gym San Borja
Gimnasio Gold Gym Basadre
Universidad Católica
Lima Golf
Hotel Radisson
Gimnasio Gold Gym Encalada
Country Club Villa
59
Estos establecimientos tienen una inversión importante en sus gimnasios por lo que el
sistema autogenerado le solucionó problemas presentados con el sistema anterior
protegiendo así su inversión.
4.1 Presupuesto:
Tabla 3: Presupuesto de materiales utilizados
Fuente: Propia
En el cuadro se detalla los componentes utilizados en el prototipo; cabe resaltar que los
implementos utilizados son parte del sistema autogenerado ya que la parte mecánica que
1. Etapa de generación voltaje
1.1 Mando Alternador 1 S/. 1,500.00 S/. 1,500.00
1.2 Resistencia limitadora 2 S/. 50.00 S/. 100.00
1.3 2m cable UTP 2 S/. 1.50 S/. 3.00
1.4 cable AWG 18 1 S/. 2.00 S/. 2.00
2. Etapa de detección movimiento
2.1 sensor magnético (Reed Switch) 1 S/. 30.00 S/. 30.00
2.2 cable AWG 18 3 S/. 2.00 S/. 6.00
2.3 Cyclon bateria 6v 1 S/. 70.00 S/. 70.00
3. Etapa de control ( tarjeta controladora)
3.1 Resistencias 40 S/. 0.20 S/. 8.00
3.2 Condensadores 17 S/. 1.00 S/. 17.00
3.3 Diodos 11 S/. 1.00 S/. 11.00
3.4 TUV relé 9v 1 S/. 5.00 S/. 5.00
3.5 FSC Transistor Darlington PNP TIP105 1 S/. 15.00 S/. 15.00
3.6 Texas Regulador de voltaje LM1086 1 S/. 10.00 S/. 10.00
3.7 Texas 2N03L05 1 S/. 10.00 S/. 10.00
3.8 Vishay Diodo MBR1635 1 S/. 10.00 S/. 10.00
3.9 FSC Transistor 2N3906 PNP 3 S/. 2.00 S/. 6.00
4 FSC Transistor 2N3904 NPN 3 S/. 2.00 S/. 6.00
4.1 Central Transistor 2N4403 PNP 1 S/. 2.00 S/. 2.00
4.2 FSC Transistor 2N4401 NPN 1 S/. 2.00 S/. 2.00
4.3 Texas Comparador diferencial LM393P 1 S/. 4.00 S/. 4.00
4.4 tarjeta fibra de vidrio doble contacto 1 S/. 80.00 S/. 80.00
4.5 Disipadores 4 S/. 5.00 S/. 20.00
60
son las poleas, piñón, faja de transmisión, rodajes y partes móviles no ingresan en el
presupuesto ya que se utiliza los implementos que ya se tienen del equipo con el anterior
sistema
4.2 Valor real de fallas y consumo de energía:
Clientes Número de elípticas y
bicicletas
SHERATON 5
MARRIOT 6
ATLANTIC CITY 4
GOLD GYM BASADRE 10
GOLD GYM SAN BORJA 14
UNIVERSIDAD CATÓLICA 5
LIMA GOLF 15
RADISSON 4
GOLD GYM ENCALADA 8
COUNTRY CLUB VILLA 8
Tabla 4: Clientes y cantidad de equipos
Fuente: Propia.
Notar que el número de máquinas constituye al número de máquinas elípticas y bicicletas
estacionarias ya que estos equipos usan el mismo sistema permitiendo un rango mayor de
mejora por ser un sistema que se acopla para ambos.
61
Clientes
Incidentes entre 2012-2015
cambio de conectores
cambio de fuente
cambio de tarjeta
Fuente alimentación externa
SHERATON 2 5 3
MARRIOT 4 3 3
ATLANTIC CITY 4 1 3
GOLD GYM BASADRE 8 6 5
GOLD GYM SAN BORJA 9 7 5
UNIVERSIDAD CATÓLICA 5 2 2
LIMA GOLF 7 8 4
RADISSON 3 2 2
GOLD GYM ENCALADA 3 3 2
COUNTRY CLUB VILLA 3 4 4
Total 48 41 33
Tabla 5: Reporte de visitas por cambio de repuestos 2012-2015
Fuente: Propia
Como se nota en la Tabla 5 en todos los clientes mencionados notamos una clara tendencia
en daños de conectores y fuentes de alimentación además muchas de estas fuentes se
cortocircuitaban ocasionando fallas a largo plazo con las tarjetas de control siendo necesario
el cambio de estas.
Estas incidencias eran bastante frecuentes con los conectores y fuentes de alimentación
debido a que los usuarios los golpeaban o jalaban los cables por más que se tomaban las
precauciones del caso por parte de los dueños. Con estas fallas que se presentaban se
generaban gatos por repuestos siendo un costo alto para el tiempo que tenían en
funcionamiento.
62
A todo esto se le sumaba las constantes quejas de los usuarios al tener las máquinas
inoperativas y en algunos casos razón suficiente para cambiarse de gimnasio por ende lidiar
con la pérdida de usuarios, generando mayor pérdida en nuestros clientes.
Clientes
Incidencias entre 2016-2019
cambio de conectores
cambio de fuente
cambio de tarjeta
sistema autogenerado
SHERATON - - -
MARRIOT - - -
ATLANTIC CITY - - -
GOLD GYM BASADRE - - 1
GOLD GYM SAN BORJA - - 1
UNIVERSIDAD CATÓLICA - - -
LIMA GOLF - - 1
RADISSON - - -
GOLD GYM ENCALADA - - -
COUNTRY CLUB VILLA - - 1
Total 0 0 4
Tabla 6: Reporte de visitas por cambio de repuestos 2016-2019
Fuente: Propia
En la tabla 6 se muestran las incidencias por cambio de repuestos luego de la
implementación del sistema autogenerado. Con este sistema se eliminó el uso de fuentes de
alimentación eliminando por completo las fallas por conectores y fuente; a su vez también se
redujo considerablemente las fallas en tarjetas de control y por ende los gastos por cambio
de repuestos.
63
Clientes Número de elípticas y
bicicletas
Consumo
Watts por mes
Soles por mes
SHERATON 5 86400 43.2
MARRIOT 6 103680 51.84
ATLANTIC CITY 4 69120 34.56
GOLD GYM BASADRE 10 172800 86.4
GOLD GYM SAN BORJA 14 241920 120.96
UNIVERSIDAD CATÓLICA 5 86400 43.2
LIMA GOLF 15 259200 129.6
RADISSON 4 69120 34.56
GOLD GYM ENCALADA 8 138240 69.12
COUNTRY CLUB VILLA 8 138240 69.12
Tabla 7: Consumo de energía por mes
Fuente: Propia
En la tabla 7 con la implementación del sistema autogenerado también se genera un ahorro
de consumo de energía, este ahorro es el consumo que se daba con el anterior sistema.
Se muestra cuanto era el consumo en watts y el costo en soles por cada mes que ahora se
convierte en ahorro en el recibo y otro beneficio más para el cliente.
64
Clientes
Soles por año
SHERATON 518.4
MARRIOT 622.08
ATLANTIC CITY 414.72
GOLD GYM BASADRE 1036.8
GOLD GYM SAN BORJA 1451.52
UNIVERSIDAD CATÓLICA 518.4
LIMA GOLF 1555.2
RADISSON 414.72
GOLD GYM ENCALADA 829.44
COUNTRY CLUB VILLA 829.44
Tabla 8: Consumo anual
Fuente: Propia.
En la tabla 8 se muestra como se da un gran ahorro anual con la implementación del nuevo
sistema.
65
CONCLUSIONES
Para el encendido del sistema el valor mínimo de batería de ser 5.7v con un valor
menor no enciende el equipo por lo que la carga de la batería es importante para el
sistema.
Con el sistema autogenerado logramos determinar el mínimo (50 RPM) de velocidad
para el encendido del sistema (como se muestra en los cálculos de torque y
velocidad del capítulo 3).
Se incrementa el tiempo de vida útil del equipo (>5años) ya que con el sistema
anterior por las constantes fallas que se presentaban duraban entre 3 y 4 años
dependiendo del mantenimiento preventivo.
Se logra un ahorro de energía eliminando las fuentes de alimentación y se redujo el
costo de consumo en la facturación (como se muestra en los resultados del capítulo
4. Tabla 6 y Tabla 7).
66
Se logra reducir daños por repuestos y con esto se recuperó el interés de los clientes
por el equipo con el nuevo sistema (como se muestra en los resultados del capítulo 4.
Tabla 5 y Tabla 6).
Con esta mejora en el sistema se logra un mayor interés por el mercado de máquinas
ya que se dan alternativas para lograr una mejor eficiencia energética.
67
GLOSARIO
Energía renovable: Energía que utiliza los recursos inagotables de la naturaleza con el fin
de generar energía eléctrica.
Ralentí: A revoluciones bajas, lento o con una disminución notable de la intensidad, la
actividad o el rendimiento.
Torque: es la simple medida de la fuerza que se necesita aplicarle a una varilla para hacer
girar un objeto. La fuerza que se ejerce en el extremo del brazo se mide en newton-metro.
Velocidad angular: es una medida de la velocidad de rotación. Se define como el ángulo
girado por una unidad de tiempo y se designa mediante la letra griega ω. Su unidad en el
Sistema Internacional es el radián por segundo (rad/s).
Vidrio absorbido: material que permite la absorción del ácido de alta pureza en la batería.
68
BIBLIOGRAFÍA
AGUDELO Vélez, F., & GARCÍA Alegrias, A. F. (2016). Sistema de Microgeneración de Energía a través del Ejercicio Humano.
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ANEXOS
Anexo 1: Guia Fabricante – Batería Cyclon 6V
Anexo 2: Hoja Fabricante – Datasheet TIP105
Anexo 3: Hoja Fabricante - Datasheet 2n3904
Anexo 4: Hoja Fabricante – Datasheet 2n3906
Anexo 5: Hoja Fabricante – Datasheet 2n4401
Anexo 6: Hoja Fabricante – Datasheet 2n4403
Anexo 7: Hoja Fabricante – Datasheet BS250
Anexo 8: Hoja Fabricante – Datasheet LM393P
Anexo 9: Hoja Fabricante – Datasheet LM1086
Anexo 10: Hoja Fabricante – Datasheet MBR1635
Anexo 11: Hoja Fabricante – Datasheet ZVNL110A
Anexo 12: Hoja Fabricante – Datasheet 2N03L05
